雙無線供能IRS輔助的無線通信系統的吞吐量優化研究

陳健鋒　崔苗　張廣馳

摘 要：在未來物聯網等新型無線網絡場景中，需要進行信息和能量同步傳輸，而且通信環境復雜多變，通信設備維護成本較高。一方面，智能反射面（IRS）能通過對無線信道的智能調控提高無線通信與無線傳能的性能，另一方面，通過無線能量傳輸對IRS進行供能，解決部署IRS時存在的供能不便的問題，降低設備維護成本。研究雙無線供能IRS輔助的無線通信系統的吞吐量優化，在該系統中，多天線基站先向IRS無線傳輸能量，然后在IRS的輔助下向多個單天線用戶發送信息。針對基站與IRS之間的信道不受阻和受阻兩種情況，分別提出兩時隙和三時隙的傳輸模式，并研究優化它們的吞吐量。具體而言，研究聯合優化基站的發射波束成形、IRS的反射波束成形以及各時隙長度，在基站最大發射功率、各用戶最小接收速率、各時隙持續時間和IRS反射系數的模一約束下，最大化系統的總吞吐量。由于優化變量高度耦合，難以直接求最優解，提出了基于交替優化、連續凸逼近和半正定松弛的優化算法，以求得優化問題的高質量次優解。仿真結果顯示，所提聯合優化算法取得了明顯高于基準算法的吞吐量性能，并且揭示了兩時隙和三時隙傳輸模式的適用場景。

關鍵詞：智能反射面；無線供能；吞吐量優化

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695（2023）10-034-3107-07

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.02.0088

Throughput optimization for wireless communication systems assisted by

dual wireless powered IRS

Chen Jianfeng，Cui Miao，Zhang Guangchi

（School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：In new wireless network scenarios，such as the future Internet of Things，it is necessary to transmit information and energy simultaneously，and the communication environment is complex and variable，with high maintenance costs for communication equipment.On the one hand，IRS can improve the performance of wireless communication and wireless power transfer by intelligent adjustment of the wireless channel.On the other hand，providing power supply to IRS by wireless power transfer can solve the problem of inconvenient power supply of IRS and reduce the maintenance costs.This paper investigated the throughput optimization of a dual wireless powered IRS-assisted wireless communication system，in which the multi-antenna base station （BS） first transmitted energy to two IRS，and then transmitted information to multiple single-antenna users with the help of the IRS.For the cases without and with channel blocking between the BS and the IRS，this paper proposed two-phase and three-phase transmission modes，respectively.It maximized the throughputs of these modes by optimizing the transmit beamforming of the BS，the reflect beamforming of the IRS，and the time allocation of different phases，subject to the constraints of the maximum transmit power of the BS，the minimum rate of the users，the duration of each phase，and the unit-module reflection coefficients of the IRS.Since the resulting optimization problems were convex and the optimization variables were highly coupled，it was difficult to find their optimal solution directly.

This paper proposed two optimization algorithms based on the alternating optimization，successive convex approximation，and semi-definite relaxation techniques to obtain high-quality sub-optimal solutions.Simulation results show that the proposed algorithms achieve significantly better throughput performance compared to some benchmark algorithms and demonstrate the suitable application scenarios of the two-phase and three-phase transmission modes.

Key words：intelligent reflecting surface（IRS）；wireless power transfer；throughput optimization

0 引言

智能反射面（IRS）作為未來6G的新興技術之一，近年來吸引著學術界和工業界的巨大關注。IRS使用可編程的新型亞波長二維超材料作為反射元件，能動態地調整入射電磁波的振幅和相位，實現信號傳播方向的控制、增強和抑制作用。IRS既能構建出智能的無線電傳播環境，提高通信系統的頻譜效率進而提升通信速率，也具備綠色和低成本等優點，已經成為研究6G萬物智聯的熱點技術［1］。文獻［2］研究IRS輔助的單小區通信場景，在滿足各用戶最低信干噪比的條件下，通過聯合優化發射和反射波束成形以最小化多天線接入點的發射功率。文獻［3］研究單合法用戶和單竊聽者場景下，IRS輔助無線通信系統的物理層安全問題，表明聯合優化基站的波束成形和IRS的反射系數能大幅提高系統的安全速率。文獻［4］研究IRS輔助無線供能網絡中的吞吐量問題，其中同一分組中的不同用戶應用非正交多址接入技術（non-orthogonal multiple access，NOMA）接入系統，表明通過聯合優化發射和反射波束成形能夠有效提高系統總吞吐量。文獻［5］研究了一個上行多用戶NOMA系統的物理層安全問題，通過對基站波束成形和IRS反射波束成形進行聯合優化，從而令系統保密率最大化。文獻［6］研究了多用戶系統的魯棒性傳輸問題。與傳統考慮最壞情況下的性能研究不同，其考慮的是系統的隨機信道估計誤差，并通過優化發射和反射波束成形最小化系統的平均和均方誤差。文獻［7］則從深度強化學習的角度研究IRS輔助認知無線電系統的通信問題，運用DDPG（deep deterministic policy gradient）和SAC（soft actor-critic）算法最大化次要用戶的信息速率，表明與傳統的數學求解方法相比，運用機器學習的方法一定程度上能降低計算復雜度。

IRS不僅能提升無線信息傳輸的速率和覆蓋率，還能顯著增強無線電信號的能量傳輸效率。無線攜能通信技術（simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT）從提出至今已得到廣泛深入的研究，且被認為是工業互聯網和未來萬物智聯時代的關鍵技術之一，但如何進一步提升其能量傳輸效率一直是亟待解決的問題。由于IRS具備智能反射的優點，即能對信號進行相干疊加，在其附近形成高強度能量收集區域，補償射頻信號傳輸過程中的路損，于是可將IRS用于輔助SWIPT系統，充分發揮IRS的優勢，進一步提升能量傳輸效率［8～14］。文獻［8］對IRS輔助的無線信息與能量傳輸進行了綜述，表明IRS對提升系統通信性能和傳輸效率方面起到關鍵作用，并從物理層安全、無人機協同輔助、新型多址接入、機器學習等角度，對IRS輔助SWIPT系統進行了展望。文獻［9］考慮了一個IRS輔助多用戶的SWIPT系統，提出一種基于MM（majorization-minimization）算法、交替優化和Dinkelbach算法的聯合優化算法，在滿足基站最大發射功率、IRS反射系數約束和功率分裂系數約束條件下最大化能量收集效率。文獻［10］考慮了一個采用有源IRS輔助SWIPT系統，并分別研究了最大化能量收集用戶的功率加權和以及最大化信息收集用戶的總速率兩個優化問題，證明了與無源IRS的基準方案相比，部署有源IRS可實現速率和能量收集性能上的顯著提升。然而，目前對于IRS用于輔助無線攜能通信，大部分研究只考慮了部署單個IRS的場景，且多數研究尚未考慮到利用無線電信號為IRS提供能量。

一方面，當單個IRS需要為室內（如辦公樓，教學樓）用戶服務時，若IRS到用戶之間的信道存在嚴重遮擋，信道增益會大幅下降，由IRS反射入射信號所創建的高質量虛擬視距鏈路被嚴重削弱，系統性能因此嚴重下降，降低了IRS在無線通信系統的有效作用［15～19］。為此，需要部署兩個IRS，并考慮它們之間的高質量鏈路來協同輔助系統進行信號傳輸。文獻［15］研究兩個IRS協同輔助單用戶通信的場景，且系統中只存在一條由基站經兩個IRS兩跳反射到用戶的信道，通過聯合優化發射和反射波束成形最大化用戶速率，并證明部署兩個協作IRS的性能明顯優于部署反射元件數足夠多的一個IRS的性能。文獻［16］研究兩個IRS輔助的多用戶上行通信系統，并考慮了IRS之間的信道，通過聯合優化基站的波束成形和兩個IRS之間的反射系數，以使所有用戶的最小信干噪比最大化。文獻［17］研究采用兩個IRS保障SWIPT系統的物理層安全，通過對基站和IRS的主動和被動波束成形進行聯合優化，從而令系統總速率最大化，并揭示了相較于傳統的單IRS系統，雙IRS系統在保證信息安全和傳能需求的前提下，對提升系統速率性能有較大的潛能。另一方面，雖然文獻［10］表明有源IRS可顯著提升系統性能，但當IRS部署在更換電池不便的地方（如高空）時，需為IRS配備射頻能量采集模塊，通過基站給IRS發送能量信號，以提供IRS足夠的能量使其自持續地工作，而無須額外的能量補給［20］。文獻［21～23］均研究了單個無線供能IRS輔助的通信系統，其中文獻［21］采用分階段發送能量信號和信息信號的方式為IRS供能，文獻［22］采用基站下行給IRS供能，用戶上行給基站發送信息的方式實現系統的自持續性，文獻［23］則研究了IRS不同反射元件具備不同功能的情況，即一部分反射元件用于反射信號消耗能量，另一部分反射元件用于收集來自基站發送的能量信號以補充能量，從而實現自身的可持續性。

文獻［16～19］均未考慮基站為IRS提供能量，所假設的兩個IRS到用戶均是較強的信道，以及兩個IRS之間的鏈路均為單向鏈路的系統模型未能更準確地符合實際環境。盡管IRS僅被動地反射入射信號，但在實際系統中，特別是當IRS元件的數量很大時，其控制器用于通信和動態控制反射元件所消耗的功率不能被忽略。利用無線能量信號向IRS供能是一種有效的方式，當IRS部署在沒有有線電源、不便更換電池或更換電池會產生昂貴成本或存在安全隱患時，只需要利用基站向IRS進行無線供能即可解決以上問題。例如，基站可以發射無線能量信號，向部署在高空建筑物外墻的IRS提供能量，使其長時間自持續地工作。文獻［21～23］則只假設在單個無線供能的IRS上輔助系統工作，一旦IRS到用戶的信道情況變得較差時，系統性能就會嚴重受損。同時，在物聯網中，雙無線供能的IRS具有較廣闊的應用前景和應用價值。一方面，雙IRS系統比單IRS系統有更高的頻譜效率和更可靠的穩定性和抗干擾能力，即使在單個IRS的反射鏈路被阻擋情況下，依然可以依靠兩個IRS間的相互協作建立高質量通信鏈路，從而為處于室內或偏僻處，難以收到高強度直射信號的終端提供可靠與有效的通信服務。另一方面，無線供能IRS的系統具有可持續性，即使IRS被部署到更換電池的成本較高或難度更大的地方，也能通過無線供能的方法為其充電，從而實現IRS的自主持續工作。在未來物聯網系統中，通信環境復雜多變，通信設備眾多，維護與管理難度大，基于無線供能的可自持續性IRS設備備受業界的青睞。

綜上所述，針對單IRS到用戶間的信道可能存在遮擋而導致系統性能降低的情況，為了解決部署IRS時面臨的有效供能問題，并充分利用兩個IRS提供的更大自由度，本文考慮一個由兩個無線供能IRS輔助的多用戶通信系統，通過聯合優化基站的發射波束成形、IRS的反射波束成形以及各時隙長度，在基站最大發射功率、各用戶最小接收速率、各時隙持續時間和IRS反射系數的模一約束下，最大化系統的總吞吐量。本文的創新點與貢獻如下：

a）系統模型的創新。本文研究雙IRS輔助的系統并充分利用兩個IRS之間的高質量鏈路，既能為IRS進行有效無線供能，又能充分提高系統的信息傳輸性能。充分挖掘雙IRS提供的優化自由度，針對基站與IRS間信道受阻和不受阻的場景，分別提出三時隙傳輸模式和兩時隙傳輸模式進行無線能量傳輸和信息傳輸。

b）所提算法的創新。考慮的優化問題為非凸優化問題，且優化變量相互耦合，難以直接求得最優解。本文首先通過將變量進行解耦，形成等價的子問題，然后應用半正定規劃、半正定松弛和連續凸逼近方法，將非凸優化問題轉換為凸優化問題，進而采用交替優化以及高斯隨機法求得問題的高質量次優解。在優化兩時隙傳輸方案的時隙長度時，通過引入松弛變量求得了封閉解。

c）研究結果的創新。仿真結果顯示，所提聯合優化算法取得明顯高于基準算法的吞吐量性能，且在基站到IRS之間的信道不受阻的情況下，三時隙傳輸模式和兩時隙傳輸模式的系統總吞吐量性能相當；而在信道受阻的情況下，三時隙傳輸模式的性能優于兩時隙傳輸模式。這些結果為系統如何靈活使用兩時隙和三時隙傳輸模式提供了依據。

1 系統模型及問題構建

如圖1所示，考慮一個由兩個無線供能IRS輔助的無線通信系統，系統包含兩時隙和三時隙兩種傳輸模式。在兩時隙傳輸模式中，基站在第一個時隙發送能量信號為兩個IRS提供能量，在第二個時隙下行向用戶發送信息信號，兩個IRS利用第一時隙獲得的能量實現自持續地工作，無須外界額外提供電源。當基站到其中一個IRS（如IRS 2）間的信道受阻時，采用三時隙傳輸模式。具體地，基站在第一和二個時隙分別主要為IRS 1和IRS 2提供能量，在第三個時隙發送信息信號。其中，IRS 1在第二個時隙利用IRS之間的高質量鏈路反射能量信號為IRS 2快速提供能量。

圖4所示為在基站到兩個IRS之間均存在較強信道的場景下，系統總吞吐量隨IRS反射單元數的變化趨勢圖。從圖中觀察到，“兩時隙”和“三時隙”傳輸模式在該場景下的性能接近，且均高于單個IRS輔助下的系統性能。這是由于在單IRS系統中，雖然反射元件數足夠多，但IRS到用戶的信道受阻，來自于IRS反射鏈路的高信道增益發生嚴重衰減，大大降低了IRS在系統中能提高頻譜效率的作用，從而導致系統吞吐量降低。而采用兩個IRS協同輔助系統通信時，由于IRS之間的存在高質量鏈路，增加了新的優化自由度，且IRS 2到用戶間的信道較強，信道增益高，聯合優化發射和反射波束成形后，相較于“單IRS”的情況有較大的性能提升。三種方案的系統總吞吐量均隨N的增大而提升，說明適當增加IRS的反射元件數能提高系統性能。

圖5所示為在基站到IRS 2之間信道較弱的場景下，系統總吞吐量隨IRS反射單元數的變化趨勢。從圖中觀察到，“三時隙”的系統性能優于“兩時隙”和“單IRS”。這是由于在該場景下，“兩時隙”需要用較多的時間資源為兩個IRS提供能量，即需增加第一個時隙的時間長度，從而降低了雙IRS在第二個時隙用來反射信號的工作時間，導致系統吞吐量降低。“三時隙”傳輸模式雖然也增加了前兩個時隙為雙IRS提供能量的時間，但是其在第二時隙利用IRS 1反射能量信號給IRS 2供電，補償了由于基站到IRS 2的信道較弱導致的能量損失，所以整體性能上仍優于“兩時隙”和“單IRS”方案。綜上所述，該場景下，系統應用“三時隙”傳輸模式能獲得更高的吞吐量。

5 結束語

本文考慮一個雙無線供能IRS輔助的無線通信系統，研究聯合優化基站的發射波束成形、IRS的反射波束成形和各時隙長度，最大化系統的吞吐量。針對基站到其中一個智能反射面信道是否受阻的場景，提出三時隙和兩時隙兩種不同的傳輸模式。由于所構建的優化問題優化變量高度耦合，且為非凸優化問題，難以直接求得最優解。針對兩種場景下，基于交替優化、連續凸逼近和半正定松弛的方法提出了兩種算法解決兩種不同的傳輸模式形成的優化問題，均求得了高質量次優解。仿真結果表明，在基站到IRS之間的信道狀況較好時，三時隙傳輸模式和兩時隙傳輸模式的系統性能接近；當基站到其中一個IRS之間的信道狀況較差時，三時隙傳輸模式帶來的系統性能優于兩時隙傳輸模式。

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收稿日期：2023-02-17；修回日期：2023-04-27基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2020YFB1805300）

作者簡介：陳健鋒（1998-），男，廣東人，碩士研究生，主要研究方向為智能反射面和無線能量傳輸；崔苗（1978-），女（通信作者），新疆呼圖壁人，講師，博士，主要研究方向為新一代無線通信技術（cuimiao@gdut.edu.cn）；張廣馳（1982-），男，廣東廣州人，教授，博士，主要研究方向為新一代無線通信技術．